Java 內(nèi)存模型是并發(fā)編程的基礎(chǔ)，只有對(duì) Java 內(nèi)存模型理解較為透徹，我們才能避免一些錯(cuò)誤地理解。Java 中一些高級(jí)的特性，也建立在 Java 內(nèi)存模型的基礎(chǔ)上，例如：volatile 關(guān)鍵字。

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為了讓大家能明白 Java 內(nèi)存模型存在的意義，本篇文章將從計(jì)算機(jī)硬件出發(fā)，一路寫到操作系統(tǒng)、編程語(yǔ)言，一環(huán)扣一環(huán)的引出 Java 內(nèi)存模型存在的意義，讓大家對(duì) Java 內(nèi)存模型有較為深刻的理解?？赐曛?，希望大家能夠明白如下幾個(gè)問(wèn)題：

• 為什么要有 Java 內(nèi)存模型？
• Java 內(nèi)存模型解決了什么問(wèn)題？
• Java 內(nèi)存模型是怎樣的一個(gè)東西？

從 CPU 說(shuō)起

我們知道計(jì)算機(jī)有 CPU 和內(nèi)存兩個(gè)東西，CPU 負(fù)責(zé)計(jì)算，內(nèi)存負(fù)責(zé)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，每次 CPU 計(jì)算前都需要從內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)。我們知道 CPU 的運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于內(nèi)存的速度，因此會(huì)出現(xiàn) CPU 等待內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)的情況。

由于兩者的速度差距實(shí)在太大，我們?yōu)榱思涌爝\(yùn)行速度，于是計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)者在 CPU 中加了一個(gè) CPU 高速緩存。這個(gè) CPU 高速緩存的速度介于 CPU 與內(nèi)存之間，每次需要讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，先從內(nèi)存讀取到 CPU 緩存中，CPU 再?gòu)?CPU 緩存中讀取。這樣雖然還是存在速度差異，但至少不像之前差距那么大了。

新增 CPU 高速緩存

隨著技術(shù)的發(fā)展，多核 CPU 出現(xiàn)了，CPU 的計(jì)算能力進(jìn)一步提高。原本同一時(shí)間只能運(yùn)行一個(gè)任務(wù)，但現(xiàn)在可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)任務(wù)。由于多核 CPU 的出現(xiàn)，雖然提高了 CPU 的處理速度，但也帶來(lái)了新的問(wèn)題：緩存一致性。

在多 CPU 系統(tǒng)中，每個(gè)處理器都有自己的高速緩存，而它們又共享同一主內(nèi)存，如下圖所示。當(dāng)多個(gè) CPU 的運(yùn)算任務(wù)都涉及同一塊主內(nèi)存區(qū)域時(shí)，可能導(dǎo)致各自的緩存數(shù)據(jù)不一致。如果發(fā)生了這種情況，那同步回主內(nèi)存時(shí)以哪個(gè) CPU 高速緩存的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)呢？

多核 CPU 及高速緩存導(dǎo)致的問(wèn)題

我們舉個(gè)例子，線程 A 執(zhí)行這樣一段代碼：

i = i + 10;

線程 B 執(zhí)行這樣一段代碼：

i = i + 10;

他們的 i 都是存儲(chǔ)在內(nèi)存中共用的，初始值是 0。按照我們的設(shè)想，最終輸出的值應(yīng)該是 20 才對(duì)。但實(shí)際上有可能輸出的值是 10。下面是可能發(fā)生的一種情況：

• 線程 A 分配到 CPU0 執(zhí)行，這時(shí)候讀取 i 的值為 0，存到 CPU0 的高速緩存中。
• 線程 B 分配到 CPU1 執(zhí)行，這時(shí)候讀取 i 的值為 0，存到 CPU1 的高速緩存中。
• CPU0 進(jìn)行運(yùn)算，得出結(jié)果 10，運(yùn)算結(jié)束，寫回內(nèi)存，此時(shí)內(nèi)存 i 的值為 10。
• CPU1 進(jìn)行運(yùn)算，得出結(jié)果 10，運(yùn)算結(jié)束，寫回內(nèi)存，此時(shí)內(nèi)存 i 的值為 10。

可以看到發(fā)生錯(cuò)誤結(jié)果的主要原因是：兩個(gè) CPU 高速緩存中的數(shù)據(jù)是相互獨(dú)立，它們無(wú)法感知到對(duì)方的變化。

到這里，就產(chǎn)生了第一個(gè)問(wèn)題：硬件層面上，由于多 CPU 的存在，以及加入 CPU 高速緩存，導(dǎo)致的數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題。

要注意的是，這個(gè)問(wèn)題是硬件層面上的問(wèn)題。只要使用了多 CPU 并且 CPU 有高速緩存，那就會(huì)遇到這個(gè)問(wèn)題。對(duì)于生產(chǎn)該 CPU 的廠商，就需要去解決這個(gè)問(wèn)題，這與具體操作系統(tǒng)無(wú)關(guān)，也與編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)。

那么如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？答案是：緩存一致性協(xié)議。

加入緩存一致性協(xié)議

所謂的緩存一致性協(xié)議，指的是在 CPU 高速緩存與主內(nèi)存交互的時(shí)候，遵守特定的規(guī)則，這樣就可以避免數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題了。

在不同的 CPU 中，會(huì)使用不同的緩存一致性協(xié)議。例如 MESI 協(xié)議用于奔騰系列的 CPU 中，而 MOSEI 協(xié)議則用于 AMD 系列 CPU 中，Intel 的 core i7 處理器使用 MESIF 協(xié)議。在這里我們介紹最為常見的一種：MESI 數(shù)據(jù)一致性協(xié)議。

在 MESI 協(xié)議中，每個(gè)緩存可能有有 4 個(gè)狀態(tài)，它們分別是：

• M (Modified)：這行數(shù)據(jù)有效，數(shù)據(jù)被修改了，和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)不一致，數(shù)據(jù)只存在于本 Cache 中。
• E (Exclusive)：這行數(shù)據(jù)有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)只存在于本 Cache 中。
• S (Shared)：這行數(shù)據(jù)有效，數(shù)據(jù)和內(nèi)存中的數(shù)據(jù)一致，數(shù)據(jù)存在于很多 Cache 中。
• I (Invalid)：這行數(shù)據(jù)無(wú)效。

那么在 MESI 協(xié)議的作用下，我們上面的線程執(zhí)行過(guò)程就變?yōu)椋?/p>

• 線程 A 分配到 CPU0 執(zhí)行，這時(shí)候讀取 i 的值為 0，存到 CPU0 的高速緩存中。
• 線程 B 分配到 CPU1 執(zhí)行，這時(shí)候讀取 i 的值為 0，存到 CPU1 的高速緩存中。
• CPU0 進(jìn)行運(yùn)算，得出結(jié)果 10，運(yùn)算結(jié)束，寫回內(nèi)存，此時(shí)內(nèi)存 i 的值為 10。同時(shí)通過(guò)消息的方式告訴其他持有 i 變量的 CPU 緩存，將這個(gè)緩存的狀態(tài)值為 Invalid。
• CPU1 進(jìn)行運(yùn)算，從 CPU 緩存取出值，但是發(fā)現(xiàn)這個(gè)緩存值被置為 Invalid 了。于是重新去內(nèi)存中讀取，讀取到 10 這個(gè)值放入 CPU 緩存。
• CPU1 進(jìn)行運(yùn)算，得出結(jié)果 20，運(yùn)算結(jié)束，寫回內(nèi)存，此時(shí)內(nèi)存 i 的值為 20。

從上面的例子，我們可以知道 MESI 緩存一致性協(xié)議，本質(zhì)上是定義了一些內(nèi)存狀態(tài)，然后通過(guò)消息的方式通知其他 CPU 高速緩存，從而解決了數(shù)據(jù)一致性的問(wèn)題。

從操作系統(tǒng)說(shuō)起

操作系統(tǒng)，它屏蔽了底層硬件的操作細(xì)節(jié)，將各種硬件資源虛擬化，方便我們進(jìn)行上層軟件的開發(fā)。在我們開發(fā)應(yīng)用軟件的時(shí)候，我們不需要直接與硬件進(jìn)行交互，只需要和操作系統(tǒng)交互即可。

既然如此，那么操作系統(tǒng)就需要將硬件進(jìn)行封裝，然后抽象出一些概念，方便上層應(yīng)用使用。于是 CPU 時(shí)間片、內(nèi)核態(tài)、用戶態(tài)等概念也誕生了。

前面我們說(shuō)到 CPU 與內(nèi)存之間會(huì)存在緩存一致性問(wèn)題，那操作系統(tǒng)抽象出來(lái)的 CPU 與內(nèi)存也會(huì)面臨這樣的問(wèn)題。因此，操作系統(tǒng)層面也需要去解決同樣的問(wèn)題。所以，對(duì)于任何一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它們都需要去解決這樣一個(gè)問(wèn)題。

我們把在特定的操作協(xié)議下，對(duì)特定內(nèi)存或高速緩存進(jìn)行讀寫訪問(wèn)的過(guò)程進(jìn)行抽象，得到的就是內(nèi)存模型了。 無(wú)論是 Windows 系統(tǒng)，還是 Linux 系統(tǒng)，它們都有特定的內(nèi)存模型。

Java 語(yǔ)言是建立在操作系統(tǒng)上層的高級(jí)語(yǔ)言，它只能與操作系統(tǒng)進(jìn)行交互，而不與硬件進(jìn)行交互。與操作系統(tǒng)相對(duì)于硬件類似，操作系統(tǒng)需要抽象出內(nèi)存模型，那么 Java 語(yǔ)言也需要抽象出相對(duì)于操作系統(tǒng)的內(nèi)存模型。

一般來(lái)說(shuō)，編程語(yǔ)言也可以直接復(fù)用操作系統(tǒng)層面的內(nèi)存模型，例如：C++ 語(yǔ)言就是這么做的。但由于不同操作系統(tǒng)的內(nèi)存模型不同，有可能導(dǎo)致程序在一套平臺(tái)上并發(fā)完全正常，而在另外一套平臺(tái)上并發(fā)訪問(wèn)卻經(jīng)常出錯(cuò)。因此在某些場(chǎng)景下，就必須針對(duì)不同的平臺(tái)來(lái)編寫程序。

而我們都知道 Java 的最大特點(diǎn)是「Write Once, Run Anywhere」，即一次編譯哪里都可以運(yùn)行。而為了達(dá)到這樣一個(gè)目標(biāo)，Java 語(yǔ)言就必須在各個(gè)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步抽象，建立起一套對(duì)內(nèi)存或高速緩存的讀寫訪問(wèn)抽象標(biāo)準(zhǔn)。這樣就可以保證無(wú)論在哪個(gè)操作系統(tǒng)，只要遵循了這個(gè)規(guī)范，都能保證并發(fā)訪問(wèn)是正常的。

Java 內(nèi)存模型 - 不同層面抽象及方案

Java 內(nèi)存模型

經(jīng)過(guò)了前面的鋪墊，相信你已經(jīng)明白了為什么要有 Java 內(nèi)存模型，以及 Java 內(nèi)存模型是什么，有了一個(gè)感性的理解。這里我們?cè)俳o Java 內(nèi)存模型下一個(gè)較為準(zhǔn)確的定義。

Java 內(nèi)存模型（Java Memory Model，JMM）用于屏蔽各種硬件和操作系統(tǒng)的內(nèi)存訪問(wèn)差異，以實(shí)現(xiàn)讓 Java 程序在各種平臺(tái)都能達(dá)到一致的內(nèi)存訪問(wèn)效果。

Java 內(nèi)存模型定義程序中各個(gè)變量的訪問(wèn)規(guī)則，即在虛擬機(jī)中將變量存儲(chǔ)到內(nèi)存和從內(nèi)存中取出變量這樣的底層細(xì)節(jié)。

這里說(shuō)的變量包括了實(shí)例字段、靜態(tài)字段和構(gòu)成數(shù)組對(duì)象的元素，但不包括局部變量與方法參數(shù)。因?yàn)楹笳呤蔷€程私有的，不會(huì)被共享，自然就不會(huì)存在競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

內(nèi)存模型的定義

Java 內(nèi)存模型規(guī)定所有的變量都存儲(chǔ)在主內(nèi)存中，每條線程都有自己的工作內(nèi)存。線程的工作內(nèi)存中保存了被該線程使用到的變量的主內(nèi)存副本拷貝，線程對(duì)變量的所有操作（讀取、賦值等）都必須在工作內(nèi)存中進(jìn)行，而不能直接讀寫主內(nèi)存中的變量。

不同線程之間也無(wú)法直接訪問(wèn)對(duì)方工作內(nèi)存中的變量，線程間變量值的傳遞都需要通過(guò)主內(nèi)存來(lái)完成。主內(nèi)存、工作內(nèi)存、線程三者之間的關(guān)系如下圖所示。

Java 內(nèi)存模型圖解

Java 內(nèi)存模型的主內(nèi)存、工作內(nèi)存與 JVM 的堆、棧、方法區(qū)，并不是同一層次的內(nèi)存劃分，兩者是沒有關(guān)聯(lián)的。如果一定要對(duì)應(yīng)一下，那么主內(nèi)存主要對(duì)應(yīng)于 Java 堆中對(duì)象實(shí)例的數(shù)據(jù)部分，而工作內(nèi)存則對(duì)應(yīng)于虛擬機(jī)棧中的部分區(qū)域。

內(nèi)存間的交互

關(guān)于主內(nèi)存與工作內(nèi)存之間具體的交互協(xié)議，即一個(gè)變量如何從主內(nèi)存拷貝到工作內(nèi)存，以及如何從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存的細(xì)節(jié)，Java 內(nèi)存模型定義了 8 種操作來(lái)完成。虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候必須保證下面提及的每一種操作都是原子的、不可再分的。

• lock（鎖定）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量標(biāo)識(shí)為一條線程獨(dú)占的狀態(tài)。
• unlock（解鎖）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)處于鎖定狀態(tài)的變量釋放出來(lái)，釋放后的變量才可以被其他線程鎖定。
• read（讀取）：作用于主內(nèi)存的變量，它把一個(gè)變量的值從主內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)骄€程的工作內(nèi)存中，以便隨后的 load 動(dòng)作使用。
• load（載入）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把 read 操作從主內(nèi)存中得到的變量值放入工作內(nèi)存的變量副本中。
• use（使用）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳遞給執(zhí)行引擎，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)需要使用到變量的值的字節(jié)碼指令時(shí)將會(huì)執(zhí)行這個(gè)操作。
• assign（賦值）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把一個(gè)從執(zhí)行引擎接收到的值賦給工作內(nèi)存的變量，每當(dāng)虛擬機(jī)遇到一個(gè)給變量賦值的字節(jié)碼指令時(shí)執(zhí)行這個(gè)操作。
• store（存儲(chǔ)）：作用于工作內(nèi)存的變量，它把工作內(nèi)存中一個(gè)變量的值傳送到主內(nèi)存中，以便隨后的 write 操作使用。
• write（寫入）：作用于主內(nèi)存的變量，它把 store 操作從工作內(nèi)存中得到的變量的值放入主內(nèi)存的變量中。

如果要把一個(gè)變量從主內(nèi)存復(fù)制到工作內(nèi)存，那就要順序地執(zhí)行 read 和 load 操作，如果要把變量從工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存，就要順序地執(zhí)行 store 和 write 操作。注意，Java 內(nèi)存模型只要求上述兩個(gè)操作必須按順序執(zhí)行，而沒有保證是連續(xù)執(zhí)行。也就是說(shuō)，read 與 load 之間、store 與 write 之間是可插入其他指令的，如對(duì)主內(nèi)存中的變量 a、b 進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，一種可能出現(xiàn)順序是 read a、read b、load b、load a。

此外，Java 內(nèi)存模型還規(guī)定上述 8 種基本操作時(shí)必須滿足如下規(guī)則：

• 不允許 read 和 load、store 和 write 操作之一單獨(dú)出現(xiàn)，即不允許一個(gè)變量從主內(nèi)存讀取了但工作內(nèi)存不接受，或者從工作內(nèi)存發(fā)起回寫了但主內(nèi)存不接受的情況出現(xiàn)。
• 不允許一個(gè)線程丟棄它的最近的 assign 操作，即變量在工作內(nèi)存中改變了之后必須把該變化同步回主內(nèi)存。
• 不允許一個(gè)線程無(wú)原因地（沒有發(fā)生過(guò)任何 assign 操作）把數(shù)據(jù)從線程的工作內(nèi)存同步回主內(nèi)存中。
• 一個(gè)新的變量只能在主內(nèi)存中「誕生」，不允許在工作內(nèi)存中直接使用一個(gè)未被初始化（load 或 assign）的變量，換句話說(shuō)，就是對(duì)一個(gè)變量實(shí)施 use、store 操作之前，必須先執(zhí)行過(guò)了 assign 和 load 操作。
• 一個(gè)變量在同一個(gè)時(shí)刻只允許一條線程對(duì)其進(jìn)行 lock 操作，但 lock 操作可以被同一條線程重復(fù)執(zhí)行多次，多次執(zhí)行 lock 后，只有執(zhí)行相同次數(shù)的 unlock 操作，變量才會(huì)被解鎖。
• 如果對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行 lock 操作，那將會(huì)清空工作內(nèi)存中此變量的值，在執(zhí)行引擎使用這個(gè)變量前，需要重新執(zhí)行 load 或 assign 操作初始化變量的值。
• 如果一個(gè)變量事先沒有被 lock 操作鎖定，那就不允許對(duì)它執(zhí)行 unlock 操作，也不允許去 unlock 一個(gè)被其他線程鎖定住的變量。
• 對(duì)一個(gè)變量執(zhí)行 unlock 操作之前，必須先把此變量同步回主內(nèi)存中（執(zhí)行 store、write 操作）。

這 8 種內(nèi)存訪問(wèn)操作以及上述規(guī)則限定，再加上稍后介紹的對(duì) volatile 的一些特殊規(guī)定，就已經(jīng)完全確定了 Java 程序中哪些內(nèi)存訪問(wèn)操作在并發(fā)下是安全的。 

總結(jié)

這篇文章我們從底層 CPU 開始講起，一直講到操作系統(tǒng)，最后講到了編程語(yǔ)言層面，讓大家能夠一環(huán)扣一環(huán)地理解，最后明白 Java 內(nèi)存模型誕生的原因（上層有數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題），以及最終要解決的問(wèn)題（緩存一致性問(wèn)題）。

看到這里，我們大概把為什么要有 Java 內(nèi)存模型講清楚了，也知道了 Java 內(nèi)存模型是什么。最后我們來(lái)做個(gè)總結(jié)：

由于多核 CPU 和高速緩存在存在，導(dǎo)致了緩存一致性問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題屬于硬件層面上的問(wèn)題，而解決辦法是各種緩存一致性協(xié)議。不同 CPU 采用的協(xié)議不同，MESI 是最經(jīng)典的一個(gè)緩存一致性協(xié)議。

操作系統(tǒng)作為對(duì)底層硬件的抽象，自然也需要解決 CPU 高速緩存與內(nèi)存之間的緩存一致性問(wèn)題。各個(gè)操作系統(tǒng)都對(duì) CPU 高速緩存與緩存的讀寫訪問(wèn)過(guò)程進(jìn)行抽象，最終得到的一個(gè)東西就是「內(nèi)存模型」。

Java 語(yǔ)言作為運(yùn)行在操作系統(tǒng)層面的高級(jí)語(yǔ)言，為了解決多平臺(tái)運(yùn)行的問(wèn)題，在操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)一步抽象，得到了 Java 語(yǔ)言層面上的內(nèi)存模型。

Java 內(nèi)存模型分為工作內(nèi)存與主內(nèi)存，每個(gè)線程都有自己的工作內(nèi)存。每個(gè)線程都不能直接與主內(nèi)存交互，只能與工作內(nèi)存交互。此外，為了保證并發(fā)編程下的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，Java 內(nèi)存模型還定義了 8 個(gè)基本的原子操作，以及 8 條基本的規(guī)則。

如果 Java 程序能夠遵守 Java 內(nèi)存模型的規(guī)則，那么其寫出的程序就是并發(fā)安全的，這就是 Java 內(nèi)存模型最大的價(jià)值。

深入理解 Java 內(nèi)存模型

參考資料

• Java 內(nèi)存模型原理，你真的理解嗎？
• 《Java 并發(fā)編程的藝術(shù)》
• Java 并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn) - 蓋茨等 - 微信讀書
• Java 高并發(fā)編程詳解：深入理解并發(fā)核心庫(kù) - 汪文君 - 微信讀書
• 操作系統(tǒng)對(duì) CPU 的控制權(quán) | 王輝的博客
• Operating Systems: Three Easy Pieces
• 既然 CPU 有緩存一致性協(xié)議（MESI），為什么 JMM 還需要 volatile 關(guān)鍵字？- 羅一鑫的回答 - 知乎

文章名稱：從CPU說(shuō)起，深入理解Java內(nèi)存模型！
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